一种石油井测持水率探头外壳结构及其封焊材料制造技术

本发明专利技术公开了一种石油井测持水率探头外壳结构，包括陶瓷盲管和合金套筒，合金套筒前端设置有台阶孔，陶瓷盲管开口端插入合金套筒前端的台阶孔中，陶瓷盲管开口端与合金套筒的接口位置采用焊接方式固定连接；陶瓷盲管选用的陶瓷材料为95％Al2O3；合金套筒选用的合金材料为4J33。本发明专利技术还公开了上述的探头外壳结构陶瓷与合金焊接用的封焊材料、该封焊材料的制备方法以及焊接方法。本发明专利技术的Ag‑Cu基钎料柔韧性能好，便于加工和装配；焊接时的匹配性好，工艺简单，成本低廉，便于推广。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于热采油田监测仪器制造
，涉及一种石油井测持水率探头外壳结构，本专利技术还涉及该探头外壳结构陶瓷与合金焊接用的封焊材料、制备方法及焊接方法。
技术介绍
目前，主要采用电容法测量油井井液的持水率，常规的持水率探头是用合金棒作为电容芯棒，用氟橡胶(PEEK)或聚酰亚胺作为电容两极的绝缘体，当电容两极之间的填充物质导电函数不同时，所显示的电容值不同，由此计算出油井内水的含量。但对于注入高温蒸汽稀释稠油的井温度最高达到350℃，对应的产出井温度也达到260℃，常规探头的隔离材料聚酰亚胺或PEEK容易发生软化，氟橡胶密封圈也无法承受260℃以上的高温。作为耐热绝缘材料，陶瓷是最好的替代材料，通常使用的PEEK封装石油测井持水率探头出于装配和使用便捷性考虑，往往将PEEK做成中通管，两头用合金压封，如果将此结构嫁接到陶瓷封装的探头上，一则难以实现结构的封焊，即使勉强焊合，形成的两条环形焊缝很难达到探头的密封精度要求；二则由于陶瓷与合金之间存在较大的热物理、化学性质差异，焊接难度较大，焊接过程的变形也使得焊好的壳体无法保证与电极体的顺利装配。所以，设计、改进持水率探头的探头外壳结构、解决陶瓷和合金封焊问题，成为热井测持水率探头制备急需解决的技术问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种石油井测持水率探头外壳结构，解决了现有技术持水率探头难以适应高温蒸汽稀释稠油的井温度，陶瓷和合金封焊实施效果差的问题。本专利技术的另一目的是提供上述探头外壳结构陶瓷与合金焊接用的封焊材料、制备方法及焊接方法。本专利技术采用的技术方案是，一种石油井测持水率探头外壳结构，包括陶瓷盲管和合金套筒，合金套筒前端设置有台阶孔，陶瓷盲管开口端插入合金套筒前端的台阶孔中，陶瓷盲管开口端与合金套筒的接口位置采用焊接方式固定连接；陶瓷盲管选用的陶瓷材料为95％Al2O3；合金套筒选用的合金材料为4J33。本专利技术采用的另一技术方案是，一种用于上述的探头外壳结构陶瓷与合金焊接用的封焊材料，由以下组分按原子百分比组成：总的百分比为100％，其中Ag为42％～45％，Sn为7％～9％，Ni为0.2～0.5％，Ti为5％～7％，Ce为0.01％～0.03％，Sb为0.01％～0.02％，余量为Cu。本专利技术采用的第三技术方案是，一种用于上述的封焊材料的制备方法，按照以下步骤实施：步骤1)按照原子百分比称量以下组分：总的百分比为100％，其中Ag为42％～45％，Sn为7％～9％，Ni为0.2～0.5％，Ti为5％～7％，Ce为0.01％～0.03％，Sb为0.01％～0.02％，余量为Cu；步骤2)利用超高真空电弧炉熔配母合金，得到Ag-Cu基钎料；步骤3)采用单辊快速凝固技术制备出厚度80～100μm的Ag-Cu基钎料箔。本专利技术采用的第四技术方案是，一种用于上述的探头外壳结构陶瓷与合金的焊接方法，按照以下步骤实施：步骤1)焊接前，采用Mo-Mn法对陶瓷盲管的95％Al2O3陶瓷待焊表面实施合金化；步骤2)陶瓷盲管与合金套筒装配时，先将Ag-Cu基钎料箔置于待焊陶瓷与合金接触面之间，再将陶瓷盲管与合金套筒套接到位后置于真空炉中；步骤3)进行陶瓷盲管与合金套筒的焊接，工艺参数为：真空度5×10-2Pa，升温速率10℃/min，钎焊温度700℃～720℃，保温时间5min，然后炉冷至室温。本专利技术的有益效果是，将探头壳体设计成陶瓷盲管与膨胀合金套筒的套接方式，应用钎焊方法实现两者的焊接，不仅使被焊零件结构性能得到保持，焊缝具有良好的力学性能，把现有的二条焊缝降到了一条，焊接工艺易于控制，使得探头结构简单，密封性好，耐压强度高，受热环境测试精度比较稳定，提高了石油井测持水率传感器的测量精度和使用寿命，降低成本。附图说明图1是本专利技术的探头外壳结构及焊缝位置示意图。图中，1.陶瓷盲管，2.合金套筒，3.试压堵头。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术进行详细说明。如图1所示，本专利技术石油井测持水率探头外壳结构是，包括陶瓷盲管1和合金套筒2，合金套筒2前端设置有台阶孔，陶瓷盲管1开口端插入合金套筒2前端的台阶孔中，合金套筒2后端根据需要安装试压堵头3，陶瓷盲管1开口端与合金套筒2的接口位置采用焊接方式固定连接。根据井测持水率传感器的使用性能、高温高压工作环境要求，按照陶瓷与合金的焊接特性，陶瓷盲管1选用的陶瓷材料为95％Al2O3；鉴于陶瓷与合金的线胀系数差异大，极易产生焊接裂纹，合金套筒2选用的合金材料(膨胀合金)为4J33(又称因瓦合金)。图1实施例中，陶瓷盲管1的外径为7毫米，合金套筒2的内径为4毫米，合金套筒2的外径为5毫米，陶瓷盲管1焊接后的总长度为44.5毫米。本专利技术对上述的陶瓷盲管1与合金套筒2焊接用的封焊材料(以下称为Ag-Cu基钎料)，由以下组分按原子百分比组成：总的百分比为100％，其中Ag为42％～45％，Sn为7％～9％，Ni为0.2～0.5％，Ti为5％～7％，Ce为0.01％～0.03％，Sb为0.01％～0.02％，余量为Cu。在本专利技术的Ag-Cu基钎料成分中，各组分及含量限定原理是：为了获得熔点适中的钎料，提高陶瓷与因瓦合金接头钎接综合力学性能，基于Ag-Cu-Sn三元合金相图及合金设计理论，在合金熔点与Ag-72Cu共晶钎料相当的前提下，通过适量添加Sn元素，钎料熔点能够降至630～640℃。通过少量添加Ni元素来改善钎料的成形加工性能，钎料中添加5％～7％的Ti元素，增加钎料与陶瓷的润湿性，提高钎接接头力学性能。另外，在钎料中还加入微量的稀土原料Ce和Sb，不仅能够细化钎缝组织，还有助于消除氢的有害影响。据此制备出Ag-Cu基钎料(全称为Ag-Cu-Sn-Ti-Ce-Sb钎料合金)。本专利技术的封焊材料(Ag-Cu基钎料)的制备方法是，按照以下步骤实施：步骤1)按照原子百分比称量以下组分：总的百分比为100％，其中Ag为42％～45％，Sn为7％～9％，Ni为0.2～0.5％，Ti为5％～7％，Ce为0.01％～0.03％，Sb为0.01％～0.02％，余量为Cu；步骤2)利用超高真空电弧炉熔配母合金，得到Ag-Cu基钎料；步骤3)采用单辊快速凝固技术制备出厚度80～100μm的Ag-Cu基钎料箔。本专利技术利用上述的封焊材料(Ag-Cu基钎料箔)对陶瓷盲管1和合金套筒2(陶瓷材料与合金材料)进行的焊接方法，按照以下步骤实施：步骤1)焊接前，采用Mo-Mn法(即MoO3-MnO2-Cu2O粉末烧结法)对陶瓷盲管1的95％Al2O3陶瓷待焊表面实施合金化。步骤2)组装探头壳体结构，陶瓷盲管1与合金套筒2装配时，先将Ag-Cu基钎料箔置于待焊陶瓷与合金接触面之间，再将陶瓷盲管1与合金套筒2套接到位后置于真空炉中；步骤3)进行陶瓷盲管1与合金套筒2的焊接，工艺参数为：真空度5×10-2Pa，升温速率10℃/min，钎焊温度700℃～720℃，保温时间5min，然后炉冷至室温。实施例表1、六个实施例的数据表实施例1依照表1实施例1各个组分百分比称取各高纯合金组分，利用超高真空电弧炉熔配母合金，采用单辊快速凝固技术制备出厚度85μm的钎料箔。应用该钎料箔，对95％Al2O3材料的陶瓷盲管1与4J33材料的合金套筒2进行封焊，工艺参数本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种石油井测持水率探头外壳结构，其特征在于：包括陶瓷盲管(1)和合金套筒(2)，合金套筒(2)前端设置有台阶孔，陶瓷盲管(1)开口端插入合金套筒(2)前端的台阶孔中，陶瓷盲管(1)开口端与合金套筒(2)的接口位置采用焊接方式固定连接；所述的陶瓷盲管(1)选用的陶瓷材料为95％Al2O3；所述的合金套筒(2)选用的合金材料为4J33。

【技术特征摘要】
1.一种石油井测持水率探头外壳结构，其特征在于：包括陶瓷盲管(1)和合金套筒(2)，合金套筒(2)前端设置有台阶孔，陶瓷盲管(1)开口端插入合金套筒(2)前端的台阶孔中，陶瓷盲管(1)开口端与合金套筒(2)的接口位置采用焊接方式固定连接；所述的陶瓷盲管(1)选用的陶瓷材料为95％Al2O3；所述的合金套筒(2)选用的合金材料为4J33。2.一种用于权利要求1所述的探头外壳结构陶瓷与合金焊接用的封焊材料，其特征在于，由以下组分按原子百分比组成：总的百分比为100％，其中Ag为42％～45％，Sn为7％～9％，Ni为0.2～0.5％，Ti为5％～7％，Ce为0.01％～0.03％，Sb为0.01％～0.02％，余量为Cu。3.一种用于权利要求2所述的封焊材料的制备方法，其特征在于，按照以下步骤实施：步骤1)按照原子百分比称量以下组分：总的百分比为100％，其中Ag为42％～45...

【专利技术属性】
技术研发人员：翟秋亚，徐锦锋，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61